一种直流耦合高精度放大装置的制造方法

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一种直流耦合高精度放大装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于放大器技术领域,尤其涉及一种直流耦合高精度放大装置。
【背景技术】
[0002] 自然界中的微弱信号(如:机械振动,生物电信号等)幅度很低,同时周围环境中存 在各种杂散的电磁场、走线,工频等干扰,例如脑电信号的幅度是从几微伏到几百微伏,频 率0.5赫兹到100赫兹,但是由电极失配引起的干扰信号,幅度就达到几百毫伏,频率低于 0.5赫兹。在集成电路设计中追求低压低功耗设计,芯片工作电压很低(如:1.8伏,1伏),所 以,如果将带有干扰信号的微弱电信号直接放大,微弱电信号易被干扰信号淹没;为了获得 高质量的微弱电信号,必须要消除干扰信号。
[0003] 目前,消除干扰信号的方法主要包括:1、传统的三运放结构,信号通过两个对称的 缓冲器(没有放大功能的放大器组成),差分输入放大级电路。通过提高共模抑制比,使有用 信号表现的比干扰信号更强烈。2、输入大电容耦合:利用输入电容和放大器等效电阻形成 高通滤波消除低频干扰信号。3、前馈回路的技术方案将采集到的电信号分为两路,一路是 经过低通滤波,另一路是不作处理,然后两路信号汇聚一点,在此点两路信号相减实现降低 干扰信号,最后再放大微弱电信号。
[0004] 上述消除干扰信号的方法存在以下缺点:采用三运放结构的方法需要先通过两个 对称的缓冲器(没有放大功能的放大器组成),差分输入第三个运放,放大信号。但是输入端 的两个缓冲器不可能完全对称,会产生额外的差模信号,影响获取的信号质量,同时功耗 大,面积大。输入大电容耦合技术由于大电容不易在芯片内集成,需要片外电容,成本高,功 耗大,精度低。采用前馈回路的方法虽然可以实现直流耦合,但是低通滤波器是采用电阻和 前置放大器输入管的寄生电容组成,而寄生电容及易受工艺和温度的影响,所以采集的信 号质量受外界环境的影响很大,对电路设计的要求也很高,很难实现广泛应用。

【发明内容】

[0005] 本发明提供了一种直流耦合高精度放大装置,旨在至少在一定程度上解决现有技 术中的上述技术问题之一。
[0006] 本发明实现方式如下,一种直流耦合高精度放大装置,包括调制器单元、前置放大 器单元和干扰信号压缩环路单元;所述调制器单元、前置放大器单元与干扰信号压缩环路 单元依次耦合连接,且所述干扰信号压缩环路单元的输出端与调制器单元的输入端耦合连 接;所述调制器单元用于将输入的电信号调制到调制信号频率上,并将调制信号输出至前 置放大器单元;所述前置放大器单元用于对调制器单元的输出的调制信号进行适当放大, 并将放大后的调制信号输出至干扰信号压缩环路单元;所述干扰信号压缩环路单元用于将 放大后的调制信号还原到微弱电信号,提取电信号中的干扰信号,并对干扰信号进行压缩 处理后,将被压缩的干扰信号输出至调制器单元,与输入调制器单元的原始电信号相减消 除干扰信号。
[0007] 本发明实施例采取的技术方案还包括:还包括增益放大单元和第一解调器单元; 消除干扰信号后的有用信号通过所述调制器单元的输出端重新输出至前置放大器中进行 适当放大,所述增益放大单元用于对经前置放大器单元放大的有用信号进行增益放大处 理,并将放大后的有用信号输出至第一解调器单元;所述第一解调器单元用于对增益放大 单元输出的有用信号进行解调处理,将放大后的有用信号还原到微弱电信号的频率上,同 时将电路本身低频噪声和失调搬到高频率上,实现电路的低噪声。
[0008] 本发明实施例采取的技术方案还包括:所述干扰信号压缩环路单元包括第二解调 器单元、积分器单元和干扰信号压缩单元,所述第二解调器单元、积分器单元和干扰信号压 缩单元依次耦合连接;所述第二解调器单元用于对前置放大器单元输出的调制信号进行解 调,还原到微弱电信号;所述积分器单元用于从微弱电信号中提取干扰信号;所述干扰信号 压缩单元用于将干扰信号进行压缩处理,使其和原始电信号中的干扰信号幅度接近,并将 压缩后的干扰信号输出至调制器单元。
[0009] 本发明实施例采取的技术方案还包括:还包括毛刺消除滤波单元;所述毛刺消除 滤波单元用于对第一解调器单元输出的有用信号进行滤波处理,消除由所述调制器单元、 第一解调器单元和第二解调器单元中的模拟开关引起的尖峰噪声信号。
[0010] 本发明实施例采取的技术方案还包括:所述干扰信号压缩单元包括由PMOS管组成 的源级跟随器和由NMOS管组成的源级跟随器,所述源级跟随器的增益表达式为:
[0011]
[0012]所述公式中,Av代表源级跟随器的增益,gm代表每一级输入管的跨导,gmb是衬底 效应引起的跨导,Rs是源级负反馈电阻。
[0013] 本发明实施例采取的技术方案还包括:所述干扰信号压缩单元还包括带源级负反 馈电阻的共源级放大器,所述带源级负反馈电阻的共源级放大器的等效跨导为:
[0014]
[0015] Av=Gm* Rd
[0016] 其中,Gm代表每一级的等效跨导,gm代表每一级输入管的跨导,RD由PMOS管组成的 负载电阻。
[0017] 本发明实施例采取的技术方案还包括:所述调制器单元、第一解调器单元以及第 二解调器单元分别由四个模拟互补CMOS开关SI、S2、S3和S4组成,每个开关由两个频率相 等、相位相差半个周期的时钟信号控制其断开状态。
[0018] 本发明实施例采取的技术方案还包括:所述开关Sl和S2的断开状态同步,所述开 关S3和S4的断开状态同步,且开关SI、S2与开关S3、S4的断开状态依次交替。
[0019] 本发明实施例采取的技术方案还包括:所述毛刺消除滤波单元时钟信号的频率为 第一解调信号频率的两倍。
[0020] 本发明实施例的直流耦合高精度放大装置通过干扰信号压缩环路单元对干扰信 号进行压缩后将干扰信号反馈到输入端与输入信号相减,可以有效的消除干扰信号,不采 用寄生电容,低失配;采用调制斩波除噪技术降低电路噪声和失调;并采用直流耦合可以避 免大输入电容,降低成本、提高精度、易集成,可以实现多通道集成,易用于系统集成;本发 明能够实现低成本、低噪声、低功耗,高精度及便携等优点。
【附图说明】
[0021 ]图1是本发明实施例的直流耦合高精度放大装置的结构示意图;
[0022]图2是本发明实施例的干扰信号压缩环路单元的电路图;
[0023] 图3是本发明实施例的调制器单元、第一解调器单元以及第二解调器单元的内部 结构示意;
[0024] 图4是本发明实施例的毛刺消除滤波单元的电路图。
【具体实施方式】
[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。
[0026] 请参阅图1,是本发明实施例的直流耦合高精度放大装置的结构示意图。本发明实 施例的直流耦合高精度放大装置包括调制器单元、前置放大器单元、干扰信号压缩环路单 元、增益放大单元、第一解调器单元和毛刺消除滤波单元;其中,调制器单元、前置放大器单 元与干扰信号压缩环路单元依次耦合连接,且干扰信号压缩环路单元的输出端与调制器单 元的输入端耦合连接;前置放大器单元、增益放大单元、第一解调器单元和毛刺消除滤波单 元依次親合连接。
[0027] 具体地,采集的电信号通过调制器单元的输入端输入调制器单元,调制器单元用 于将输入信号调制到调制信号频率上,并通过调制器单元的输出端将调制信号输出至前置 放大器单元;
[0028] 前置放大器单元用于对调制器单元的输出的调制信号进行适当放大,并通过前置 放大器单元的输出端将放大后的调制信号输出至干扰信号压缩环路单元;
[0029] 干扰信号压缩环路单元用于将放大后的调制信号还原到微弱电信号,提取电信号 中的干扰信号,并对干扰信号进行压缩处理后,将被压缩的干扰信号输出至调制器单元,与 输入调制器单元的原始电信号相减,达到消除干扰信号的目的。
[0030] 进一步地,干扰信号压缩环路单元包括第二解调器单元、积分器单元和干扰信号 压缩单元,第二解调器单元、积分器单元和干扰信号压缩单元依次耦合连接;第二解调器单 元用于对前置放大器单元输出的调制信号进行解调,还原到微弱电信号,即将信号搬回原 频率上;积分器单元用于从微弱电信号中提取干扰信号;干扰信号压缩单元用于将干扰信 号进行压缩处理,使其和原始电信号中的干扰信号幅度接近,并将压缩后的干扰信号输出 至调制器单元,与输入调制器单元的原始电信号相减,实现消除干扰信号的目的。请一并参 阅图2,是本发明实施例的干扰信
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